3、工程材料力学性能第三章解析

第一节冲击载荷下金属变形和断裂特点第二节冲击弯曲和冲击韧性第三节低温脆性第四节影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素第三章金属在冲击载荷下的力学性能第一节冲击载荷下金属变形和断裂一、加载速率及变形速率的概念加载速率：载荷施加于机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。形变速率：单位时间内的变形量（绝对形变速率和相对形变速率）相对形变速率：相对形变速率即应变速率，单位时间内应变的变化量。静拉伸10-5－10-2s-1冲击试验102－104s-1当10-2s-1时，金属力学性能将发生明显变化。dde二、冲击载荷下金属变形和断裂的特点1、冲击载荷下，机件的失效同样表现为过量弹性变形、过量塑性变形和断裂。2、冲击载荷下，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。3、金属材料在冲击载荷下塑性变形难于充分进行，且塑性变形极不均匀，故使强度提高，且σs比σb提高得多。4、材料塑性和应变率之间无单值对应关系一般应变速率上升，塑性下降，但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性。5、塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关材料正断：断裂应力变化不大，塑性下降；材料切断：断裂应力上升，塑性不变或提高。第二节冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性的涵义冲击韧性－材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。二、缺口试样冲击试验原理冲击吸收功：Ak=mgH1－mgH2注意：缺口位于冲击相背方向。三、冲击试验试样冲击试验试样四、Ak值的意义的讨论为什么Ak并不能真正反映材料的韧脆程度？1、Ak并不能代表试样断裂前吸收的总能量。因为，Ak＝试样变形断裂吸收的能量+试样掷出功+机身振动功＋空气阻力+……；2、Ak相同的材料，其韧性不一定相同；3、Ak相同的材料，其断裂功并不一定相同。断裂功的大小决定了断裂类型，因而有人建议以断裂功AP来表征韧性。用“示波冲击方法”测定冲击力－位移(挠度)曲线曲线所包围的面积，表示试样冲断时所吸收的总功AK；裂纹形成功A1，它主要消耗于试样的弹性变形、塑性变形以及裂纹形成；裂纹扩展功AP，它主要消耗于裂纹前沿微观塑性变形及裂纹扩展。冲击实验机冲击试验的不足是其冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度，但它对材料组织十分敏感，且试验简便易行，故仍被广泛应用。1、评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可揭示冶金缺陷，检查锻造或热处理缺陷。2、根据系列冲击试验（低温冲击试验），可得Ak与温度关系曲线，测定材料的韧脆转变温度，据此可以评定材料的低温脆性倾向。五、冲击试验的应用第三节低温脆性一、低温脆性现象体心立方金属及合金、某些密排六方金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这即低温脆性，转变温度tk称为韧脆转变温度，亦称冷脆转变温度。实际上由于材料化学成分的统计性，韧脆转变温度不是一个温度，而是一个温度区间。左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。泰坦尼克号钢板和现代钢板的实际冲击结果示于下图。在－2℃的海水中，泰坦尼克号钢板纵、横向试验中吸收能仅有4焦耳。同样温度下，现代钢板纵向试验中吸收能为325焦耳，横向试验中吸收能为100焦耳。下图是建造中的Titanic号。Gannon的文章指出，在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。二、韧脆转变的物理本质断裂强度σc随温度的变化较小，而屈服强度σs对温度十分敏感，随温度降低，屈服强度升高，两者的交点tk即为韧脆转变温度。T＞Tk,σc＞σs先屈服再断裂韧性断裂T＜Tk,σc＜σs先达到σc脆性断裂三、系列温度冲击试验评定材料低温脆性的最简便的试验方法是系列温度冲击试验。该试验采用标准夏比冲击试样，在从高温（通常为室温）到低温的一系列温度下进行冲击试验，测定材料冲击功随温度的变化规律，揭示材料的低温脆性倾向。四、韧脆转变温度的评定1、能量准则以低阶能开始上升的温度定义为tk，记为NDT，称无塑性或零塑性转变温度。无预先塑性变形断裂对应的温度，最易确定tk的准则。在NDT以下，断口由100%结晶区组成。以高阶能对应的温度定义为tk，记为FTP。最保守的定义tk的方法。在FTP以上，100%纤维状断口。以低阶能和高阶能的平均值对应的温度定义tk，记为FTE。韧脆转变温度的评定2、断口形貌准则温度下降，纤维区面积突然减小，结晶区面积突然增大。FATT50－冲击试样断口中结晶区面积占整个断口面积50％时所对应的温度作为脆性转变温度tk，亦可记为50％FATT或t50。评定方法按GB/T12778-91《金属夏比冲击断口测定方法》，测量时剪切唇按纤维区处理。断口形貌准则主要用于正火或调质状态钢材的评定。3、断口变形特征准则试样冲断时，缺口根部收缩，试样背面膨胀，规定用试样背面膨胀量达0.38mm时所对应的温度，作为脆性转变温度。五、韧脆转变温度的意义tk是金属材料的韧性指标，它反映了温度对韧脆性的影响。tk是安全性指标，可用于抗脆断设计，保证机件服役安全。tk是估计低温服役机件最低使用温度的依据，选用的材料应具有一定韧性温度储备。韧性温度储备：Δ＝t0－tkt0－使用温度一般Δ取40－60℃，重要机件取60℃，非重要机件取20℃，中间取40℃。几种钢的脆性转变温度材料σs/Mpa20J准则0.38mm准则50FATT准则热轧C-Mn钢210271746热轧低合金钢385－24－2212淬火－回火钢618－71－67－54tk与定义方法、外界因素等有关。按上述三种准则确定的脆性转变温度并不等效，从表中几种钢的脆性转变温度，可以看出，20J准则与0.38mm准则比较接近。由此可见，脆性转变温度是相对的，只有按同一准则确定的脆性转变温度才有可比性。此外，在一定条件下用试样测定的脆性转变温度与实际结构或零件的脆性转变温度是不同的。所以对于大型结构的脆性评定，应发展更接近实际工况条件的试验方法。六、落锤试验普通冲击弯曲试验试样尺寸过小，不能反映实际构件中的应力状态，而且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。为了克服这一困难，Pellini等人提出了落锤试验方法。落锤试验法：用于测定全厚钢板的NDT，作为评定材料的脆性转变温度。试样厚度与实际使用板厚相同，典型尺寸：25*90*350mm19*50*125mm16*50*125mm落锤试验试验中随试样温度下降，其力学行为发生如下变化：不裂→拉伸侧表面部分形成裂纹但未发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边→试样断成两部分一般规定裂纹能扩展到试样一侧边或两侧边的最高温度为无塑性转变温度NDT，其含义实际是钢板弹性开裂的最高温度，当TNDT时，钢板碎裂；TNDT时，含有大裂纹的试板不会碎裂。落锤试验的不足是：对脆断不能给予定量评定，因为试验采用动载荷，其结果能否用于静载荷尚需研究，此外，板厚的影响亦未考虑。断裂分析图通过落锤试验求得的NDT可以建立断裂分析图(FAD)，它是表示许用应力、缺陷和温度之间关系的综合图，明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷联合作用下脆性断裂开始和终止的条件。应用：断裂分析图为低强度钢构件防止脆断设计和选材提供依据；可用来分析脆性断裂事故。不足：未考虑加载速度和板厚的影响（25mm低强度钢板建立）防断裂设计参考判据在落锤试验测得的NDT和大量同类试验的基础上，Pellini等提出了对低强度铁素体钢NDT的应用，建议了四个防断裂设计参考判据：1、T工作≥NDT，由于NDT表示小裂纹可作为裂源引起脆裂的临界温度。工作温度要求在NDT以上，允许的应力水平限制在35－56Mpa。2、T工作≥NDT＋17℃，允许σ工作≤σs/2，意即名义应力低于σs/2，且温度高于NDT＋17℃时，裂纹不会扩展，该参考判据提供了σ＜σs/2时的止裂温度界限。3、T工作≥NDT＋33℃，允许σ工作≤σs，意即名义应力低于σs时，裂纹可在弹性区内扩展的最高温度为NDT＋33℃，该临界温度称为弹性开裂转变温度(FTE)，当T＞FTE时，只发生塑性撕裂。因此FTE是应力等于σs时脆性裂纹止裂温度。4、T工作≥NDT＋67℃，σ工作达到σb发生韧性断裂。该温度称为塑性开裂转变温度(FTP)，当T＞FTP时，断裂应力达到材料极限强度，当T＜FTP时，裂纹可在塑性范围扩展，断裂应力在σs和σb之间。第四节影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一、冶金因素1、化学成分的影响2、晶体结构的影响3、显微组织a.晶粒尺寸b.金相组织二、外界因素1、温度2、加载速率3、试样尺寸和形状化学成分的影响1）间隙溶质元素↑→韧性↓韧脆转变温度↑2）置换型溶质元素对韧性的影响不明显，钢中加入置换型溶质元素一般也提高韧脆转变温度。（Ni减小，提高低温韧性）3）杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降以碳钢为例：C％↑→韧脆转变温度↑；Mn％↑→韧脆转变温度↓，对船体钢来说，关键要看Mn/C比，只有当Mn/C≥3时，船体钢才有比较满意的韧脆转变温度。晶体结构的影响体心立方金属及其合金存在低温韧性。普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体，都有明显的低温脆性。晶粒尺寸的影响细化晶粒可使材料韧性增加。铁素体晶粒直径与韧脆转变温度的关系可用派奇方程描述：其中，β、B、C为常数，d为铁素体晶粒直径派奇方程同样适用于低碳铁素体－珠光体钢，低合金高强度钢。减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高材料韧性。21lnlnlndCBtk金相组织的影响1）对低强度钢：按tk由高到低的顺序：珠光体→上贝氏体→铁素体→下贝氏体→回火马氏体2）对中碳合金钢且强度相同，tk：下贝氏体＜回火马氏体；贝氏体马氏体混合组织＞回火马氏体3）低碳合金钢的韧性：贝氏体马氏体混合组织＞单一马氏体或单一贝氏体4）马氏体钢的韧性：奥氏体的存在将显著改善钢的韧性钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有关。第二相尺寸增大，材料韧性下降，韧脆转变温度升高。作业1.阐述韧脆转变的物理本质。2.解释名词：低温脆性；冲击韧性。